Wetenschappers gebruiken levende kikker cellen om ‘s werelds eerste levende robot te ontwikkelen

In een opmerkelijke combinatie van biologisch leven en robotica heeft een team van wetenschappers levende kikker cellen hergebruikt en gebruikt om “xenobots” te ontwikkelen. De cellen kwamen van kikker embryo’s en de xenobots zijn slechts een millimeter breed. Ze zijn in staat om naar een doelwit te bewegen, mogelijk een lading zoals medicijnen voor het binnenste van een menselijk lichaam op te pakken, en zichzelf te genezen na te zijn gesneden of beschadigd.

“Dit zijn nieuwe levende machines,” volgens Joshua Bongard, een computerwetenschapper en robotica-expert aan de Universiteit van Vermont die het nieuwe onderzoek leidde. “Ze zijn noch een traditionele robot noch een bekende soort dier. Het is een nieuwe klasse van artefact: een levend, programmeerbaar organisme.”

De wetenschappers ontwierpen de bots op een supercomputer aan de Universiteit van Vermont, en een groep biologen aan de Tufts Universiteit assembleerde en testte ze.

“We kunnen ons veel nuttige toepassingen van deze levende robots voorstellen die andere machines niet kunnen doen,” zegt co-leider Michael Levin, die het Center for Regenerative and Developmental Biology aan de Tufts Universiteit leidt, “zoals het opsporen van vervuilde stoffen of radioactieve verontreiniging, het verzamelen van microplastic in de oceanen, het reizen in slagaders om plaque weg te schrapen.”

Het onderzoek werd gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences op 13 januari.

Volgens het team is dit de eerste keer dat onderzoek “volledig biologische machines van de grond af ontwerpt”.

Het kostte maanden van verwerkingstijd op de Deep Green supercomputer cluster bij UVM’s Vermont Advanced Computing Core. Het team bestond uit lead auteur en doctoraal student Sam Kriegman, en ze vertrouwden op een evolutionaire algoritme om duizenden verschillende ontwerpen voor de nieuwe levensvormen te ontwikkelen.

Toen de computer de taak kreeg om een door de wetenschappers gegeven taak te voltooien, zoals locomotie in één richting, zou hij voortdurend een paar honderd gesimuleerde cellen in verschillende vormen en lichaamsvormen herschikken. Terwijl de programma’s draaiden, werden de meest succesvolle gesimuleerde organismen behouden en verfijnd. De algoritme draaide onafhankelijk honderd keer, en de beste ontwerpen werden geselecteerd voor testen.

Het team aan de Tufts Universiteit, onder leiding van Levin en met de hulp van microchirurg Douglas Blackiston, nam het project over. Ze brachten de ontwerpen over naar het volgende stadium, dat het leven was. Het team verzamelde stamcellen die waren geoogst uit de embryo’s van Afrikaanse kikkers, de soort Xenopus laevis. Enkele cellen werden toen gescheiden en laten incuberen. Het team gebruikte kleine pincetten en een elektrode om de cellen te snijden en te verbinden onder een microscoop in de door de computer ontworpen vormen.

De cellen werden geassembleerd in alle nieuwe lichaamsvormen en begonnen samen te werken. De huidcellen ontwikkelden zich tot een meer passieve bouw en de hartspiercellen waren verantwoordelijk voor het creëren van geordende voorwaartse beweging, zoals geleid door de computerontwerp. De robots konden zichzelf verplaatsen vanwege de spontane zelf-organiserende patronen.

De organismen waren in staat om op een samenhangende manier te bewegen en duurden dagen of weken in hun waterige omgeving. Ze vertrouwden op embryonale energiereserves, maar faalden eenmaal omgekeerd op hun rug.

“Het is een stap naar het gebruik van computer-ontworpen organismen voor intelligente medicijnbezorging,” zegt Bongard, een professor in de afdeling Computerwetenschappen en Complex Systems Center van de Universiteit van Vermont.

Aangezien de xenobots levende technologieën zijn, hebben ze bepaalde voordelen.

“Het nadeel van levend weefsel is dat het zwak is en afbreekt,” zegt Bongard. “Dat is waarom we staal gebruiken. Maar organismen hebben 4,5 miljard jaar ervaring met het regenereren van zichzelf en doorgaan voor decennia. Deze xenobots zijn volledig biologisch afbreekbaar,” vervolgt hij. “Wanneer ze klaar zijn met hun taak na zeven dagen, zijn ze gewoon dode huidcellen.”

Deze ontwikkelingen zullen grote gevolgen hebben voor de toekomst.

“Als de mensheid de toekomst wil overleven, moeten we beter begrijpen hoe complexe eigenschappen op de een of andere manier ontstaan uit eenvoudige regels,” zegt Levin. “Veel van de wetenschap is gericht op het controleren van de lage-regelregels. We moeten ook de hoge-regelregels begrijpen. Als je een mierenhoop met twee schoorstenen in plaats van één wilt, hoe verander je dan de mieren? We zouden geen idee hebben.”

“Ik denk dat het een absolute noodzaak is voor de samenleving om in de toekomst een betere greep te krijgen op systemen waarvan het resultaat zeer complex is. Een eerste stap naar het doen van dat is om te onderzoeken: hoe besluiten levende systemen wat een algehele gedrag moet zijn en hoe manipuleren we de onderdelen om de gedragingen te krijgen die we willen?”

“Deze studie is een directe bijdrage aan het begrijpen van wat mensen bang voor zijn, namelijk onbedoelde gevolgen, of het nu gaat om de snelle komst van zelfrijdende auto’s, het veranderen van genetische aandrijvingen om hele lijnen van virussen uit te roeien, of de vele andere complexe en autonome systemen die de menselijke ervaring steeds meer zullen vormen.”

“Er is allemaal van deze ingebouwde creativiteit in het leven,” zegt UVM’s Josh Bongard. “We willen dat dieper begrijpen – en hoe we die kunnen sturen en duwen naar nieuwe vormen.”